VR技术在实践教学中的应用研究

梁利东 江本赤 贾文友

摘要：信息技术的快速发展，极大推动着教学方式和教学媒体的变革。虚拟现实技术在高等教育实践教学中的研究应用，将成为教学模式改革和提升人才培养质量的重要途径。针对传统实践教学中存在的问题，本文提出基于VR技术的虚拟教学理念和实施策略，从教学关系、教学手段、教学考核及VR课程资源的开发整合等方面，阐述虚拟教学的思路和方法。

关键词：虚拟现实；虚拟教学；课程资源

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2019）16-0050-03

一、前言

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术作为21世纪最新的技术成果，在教育领域具有强大的教学优势和潜力，已逐渐受到越来越多教育工作者的重视和青睐。VR技术综合了计算机图形学、图像处理与模式识别、智能技术、传感技术、语音处理与音响技术、网络技术等多门科学，将计算机处理的数字化信息转化为人们能感受的具有各种表现形式的多维信息。其多感知性、沉浸性、交互性及构想性的技术特征，对于改善传统多媒体教学的现状将产生重要影响，也为虚拟教学提供了新型的可视化教学模式[1，2]。VR技术的教学应用，不仅能够让学生在虚拟的环境中与教学内容互动，解决传统课堂中互动性、情境性不强等问题，还可以用于学习情境的创设，增加学习内容的形象性和趣味性。特别针对实践教学，虚拟技术可以减少现实教学中某些实训操作的困难和危险，更能提升学生学习的主动性和创新性，在呈献知识信息、辅助教学活动、加速和巩固学习过程以及设计、优化学习内容和学习情境等方面，将发挥重要作用[3，4]。国际上关于虚拟现实教育应用的研究方向，主要集中在基于VR技术的课堂教学法、VR学习环境以及医学、工程、地理等具体学科应用领域；国内主要集中于虚拟学习资源建设、VR理论探索、虚拟仿真校园环境建设以及实践环节的虚拟教学等[5]。合肥工业大学、南京理工大学等高校，近年来相继成立数字化虚拟仿真实验中心，旨在构建教学、科研一体化的实践平台。因此，VR技术与教学环节的深度融合以及虚拟教学模式的探索创新，将成为当前教育教学的研究重点。

二、虚拟教学的内涵

虚拟教学是基于VR技术在虚拟空间中进行教育学习的一种新型教学模式，即运用科学技术构建一个虚拟学习环境，通过对知识点客观、真实地模拟重现，使教师和学生在虚拟环境中完成教与学的全过程。虚拟教学的内涵则涉及教学理念、教学关系、教学组织及教学手段等方面的变革和探索。

现代化的教学理念是“以学生为中心”，教学方法是以启发引导式为主，教学关系追求合作化，教学手段应赋予学生学习的积极性和主动性。VR技术可以提供这种教学环境，真正实现以学生为中心的个体化教学、合作化教学和环境中自我探究意识的培养。虚拟技术的沉浸感可提升学生的专注度；交互性能增强学生的反馈度；构想性则能极大发挥学习和应用的自由度。教学理念不仅是“传道授受业解惑”，更应注重成果导向的培养机制。VR能够提供和模拟检验学生学习成果的“试验场”：教师的“教”是培养和训练学生各项解决实际工程问题的素质和能力，学生的“学”则是获取有效的方法和技能，二者相辅相成。虚拟现实系统具有的逼真学习环境，可提供良好的交互功能，在此基础上，教与学的关系将发生根本改变。虚拟教学特别强调由学生主动参与构建知识结构，从而达到教学效果，即变学生的“被动听讲”为“主动学习”，由“要我学”转变为“我要学”。虚拟教学过程是一个面向问题求解的过程，教学组织形式将更灵活生动，学生的主动思考、分析、尝试、讨论将取代传统教学中学生死记硬背、不能学以致用的问题。这种虚拟环境将会极大地促使教学观念和教学模式发生变化。教学手段是实现教学目的和完成教学任务的有效保证，VR技术将促使教学手段向科学化、高效益的方向发展。虚拟教学过程在可视化的虚拟环境中，通过自主控制的人机交互，实现思维参与、情感参与和行为参与的教学活动。在学生讨论交流的基础上，对其中的难点和不同观点进行引导，可训练学生的分析总结能力，产生知识结构的新生长点，利于培养有创新意识的综合型人才。在虚拟现实教学中，师生和学生之间均能产生有效交流，且实现协作，培养协同意识和适应大系统工作的能力。在虚拟实践操作中，允许学生出现错误，让学生了解错误的根由及后果，进而通过分析、综合、比较、归纳、推理等高级思维技能寻求解决问题的正确方法。

三、虚拟教学的知识集成化

教学内容是教学过程中传递的教学信息，是学生获取知识、掌握技术、发展能力的主要源泉。每门课程看似为独立个体，实则综合运用所学知识才能达到培养目标和毕业要求。多媒体虚拟现实技术，使教学内容无论是外在形式还是内在结构都将产生很大的变化[6]。以综合实驗教学为例，实验内容往往是多门学科的知识交叉和应用。传统实验教学中，学生往往依赖实验指导书依次完成操作内容，对于在实验中碰到的问题，特别是涉及其他课程的内容知识，通常无法再深入了解。虚拟现实系统通过计算机的集成处理，可提供如图像、图表、音频、视频和动画等帮助信息，使学生对所学知识进行综合掌握和运用。对于抽象或不可视的现象和原理，运用VR技术通过学生的想象力和创造力构建、模拟和探索相关实践内容，对培养学生的创新意识、提高工程实践能力具有重要意义。教学的内容结构反映学科的知识结构，学科的知识结构则体现了学科知识间的逻辑关系，是学科内含智力因素的信息源。传统教学内容的结构及顺序大多依赖教师的教学习惯，生硬的教学顺序使得学生学习的自由度不大，灵活性不强，难以实现知识获取的自主性。VR技术是以人类认知特点组织和展示教学内容并构建知识结构，它可以体现知识信息的形式及内容的多样性和复杂性，为学生提供动态、开放、自由的结构化认知形式。它既包括学科基本内容，又包括学科内容间的逻辑关系；既注重知识的形成过程，又注重知识结构。虚拟教学中，知识的有效集成使学生更直观了解所学知识与既有认知间的联系，同时激发学生对新知识的渴望和追求。

四、实践教学中的应用实例

安徽工程大学机械与汽车工程学院于2012年开始规划筹建虚拟仿真实验教学平台，旨在运用VR技术对教学模式、案例教学、实践教学、精品课程、专业建设等进行创新性改革和试验。针对机械专业的多个专业课程和专业基础课程以及面向机械系开放的综合性实验和创新实验项目，教学团队自主研发基于Unity3D/Quest3D引擎平台的全3D的虚拟装配及运动仿真系统实验平台，包括：汽车内燃机虚拟结构仿真系统；二级圆柱齿轮减速器虚拟传动仿真系统；车床主轴箱虚拟装配及变速传动系统；六自由度工业机器人虚拟装调系统；CA6140机床虚拟装配系统等，如图1—图6所示。

虚拟仿真实验平台为不同学科内容提供了统一的虚拟教学平台。在该平台上，可针对课程对象导入不同模型、场景及教学环境，从而实现不同课程资源的开发、整合及应用。如“CA6140虚拟仿真系统”，可应用于《机械制造学》和《机械制造装备设计》的综合实验与课堂教学，让学生在3D效果中身临其境般学习复杂机器的工作原理、结构组成及传动方式，并能亲自“动手”交互操作等。“机器人虚拟装调系统”实现学生在虚拟场景中机器人虚拟装调的模拟实训，并提供实时的视觉、听觉的交互操作体验，使学生更好地了解机器人结构和装配工艺过程，为后续工业机器人的拆装实操实训教学提供有益帮助。

五、虚拟教学亟待解决的问题

1.面向VR技术的教学资源的整合与优化。虚拟教学要求教师具备一定的VR课程资源开发能力，并通过研究本专业课程的内在联系，构建具有实时交互性、空间逼真的虚拟教学VR系统平台。从课堂教学和实践教学等角度，整合优化虚拟教学的课程案例；从学生学习的角度，编排学习内容和学习过程，强调课程内容结构的多样性，体现形式的生动和趣味性。只有这样，才能将课程内容有效融于虚拟教学系统，学生可根据自己的思想和学习方式在虚拟场景中主动探求和学习课程内容，并通过虚拟系统的训练和考核环节，对学习过程及成果进行修正和评估，有利于“以学生为中心”教学理念的开展和实施。

2.保证虚拟教学考核与培养目標的一致性。基于成果导向教育（OBE）的理念，虚拟教学模式更强调学生学什么以及达到什么要求。虚拟系统可以根据课程要求（或毕业要求）直接与教学工程案例对接，教学模式贯穿从毕业要求到学习任务、从学习任务到知识内容、从知识内容到教学过程的所有环节，从而实现虚拟教学环境下考核内容和考核方式的确定，使其与课程目标乃至培养目标、毕业要求相统一。课程大纲中的考核内容，要融入课程虚拟教学案例，考核形式实现多样化，特别是针对实验实训课程，同样的考核内容可以不同形式体现。考核方法或集中或分散，真正起到检验学生学习成果的作用。虚拟教学考核作为课程考核的一部分，特别适用于专题训练、综合实验、中期考核以及大作业考核过程。

3.实现“师生共建”虚拟教学资源的持续性和创新性。虚拟教学资源和案例是虚拟教学的根本，虚拟系统平台可对所有师生开放，并通过教师和学生的教与学的过程实现教学资源的持续共建。学生和教师可将优秀的学习和研究成果（如设计模型、创新方案等）上传至系统平台共享使用，从而实现知识的交流和借鉴，同时对教学过程进行持续改进。

六、结束语

实践教学是提高学生工程素质和创新能力的重要环节。虚拟教学是利用VR技术创建、重塑或还原实验实践教学场景的信息化模拟教学工具和方法。其不仅丰富和完善了现有教学手段，消除实验实践教学盲点，而且能增强学生学习体验，提高学习兴趣，提升教学质量。作为一种新的实践教学模式，虚拟教学的应用对教师的综合素养及教学方法提出更高的要求，即需要全面提升教师对VR技术的掌握和应用水平，以及教学内容上保证虚拟教学与真实实践过程的一致性。同时，在虚拟教学体系中，需要进一步建立有效的监测和评价体系，有效保障实践教学效果的实现。

参考文献：

[1]薛亚娣.基于虚拟现实技术的计算机辅助教学研究[J].兰州文理学院学报（自然科学版），2017，31（1）：116-119.

[2]梁宇涛.虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2006，23（3）：81-85.

[3]刘园.VR技术在教育领域的研究与应用[J].电脑知识与技术，2016，12（16）：207-208.

[4]李小林，徐剑坤，潘程奇.虚拟现实技术在高校实践教学中的应用研究[J].教育教学论坛，2018，（6）：140-141.

[5]高东锋，王森.虚拟现实技术发展对高校实验教学改革的影响与应对策略[J].中国高教研究，2016，（10）：56-59.

[6]贺占魁，黄涛.虚拟仿真实验教学项目建设探索[J].实验技术与管理，2018，35（2）：108-111，116.